DMFC 性能分析 甲醇催化觸媒之設計 操作條件與進料方式 膜電極組之結構 電解質膜之特性.

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1 DMFC 性能分析 甲醇催化觸媒之設計 操作條件與進料方式 膜電極組之結構 電解質膜之特性

2 DMFC 性能分析(1) DMFC性能影響因子

3 DMFC 性能分析(2) 影響 DMFC 性能之因素

4 DMFC 性能分析(3) DMFC CHART 1

5 DMFC 性能分析(4) DMFC CHART 2

6 DMFC 性能分析(5) DMFC CHART 1

7 DMFC 性能分析(6) DMFC 特性說明 DMFC 是目前市場上較常運用之 FC，其主要原因為其裝載容量由 1W ~100 KW，適一般民生所需。 除以上理由外，也因其工作溫度不高約100 度左右體積不大，使用上較安全與易掌握。 DMFC 運用於3C產品如手機、筆記電腦、軍用無線電、車輛或家庭，皆為現階段與未來發展趨勢。

8 DMFC 性能分析(7) 除上述影響DMFC (直接甲醇電池)性能因素外；尋找高效能之甲醇陽極觸媒，為 DMFC 目前亟需突破障礙之一。
此外選擇適當操作條件、製程及膜電池組之結構也是影響性能的重要因素。 現有DMFC 普遍採用 Nafion 膜，因該產品甲醇滲透率較高，會造成甲醇尚未反應下，即通過膜往陰極滲透，造成甲醇利用率降低，且陰極極化的大幅增加，降低 了DMFC 性能。

9 DMFC 性能分析(8) DMFC 效能降低原因分析： 進料方式 操作條件 氣態 工作溫度 DMFC 效能降低原因 液態 鉑中毒 陰極極化
陽極極化損失 甲醇反應不全 陽極極化速度 Nafion 滲透高 觸媒因素 高分子膜因素

10 DMFC 性能分析(9) 甲醇催化觸媒之設計 甲醇催化觸媒之設計，是影響DMFC 性能之一，從8-5式的甲醇反應機制分析可知，鉑對甲醇的直接氧化具很高的活性，可在低電位下輕易釋放質子與電子，然缺少活性氧的狀態下，鉑很容易被中間產物CO緊緊吸附在表面而失去活性，目前解決CO 毒化方法是鉑觸媒中添加氧化活性較高的第二觸媒，成為鉑基合金的形式：也可直接將第二觸媒以物理或化學方式直接沉積在鉑電極上。後者可改善電極吸附性，然對甲醇氧化活性影響較小，且只在較低工作電壓下，才能有效強化鉑的電催化活性，因此 目前 DMFC 的陽極觸媒普遍採前者，以鉑基合金方式設計。

11 DMFC 性能分析(10)

12 DMFC 性能分析(11) 合金觸媒使用材料分析
目前已知對甲醇催化氧化有增強雙合金觸媒( binary alloy catalyst)有 Pt-Sn (鉑鈦) 、 Pt-Re(鉑錸)、 Pt-Mo(鉑鉬)、 Pt-Ru(鉑釕)、 Pt-Cr(鉑鉻)、 Pt-Co(鉑鈷)、 Pt-Ni(鉑鎳)等合金種類。 至於合金觸媒對 DMFC 性能影響並無一定論，以Pt-Ru 鉑釕合金為例，含量從 10% ~ 50%都有，有更多資料顯示鉑釕原子數比接近 1:1時具有最高的反應表面積與最佳電催化性能。

13 DMFC 性能分析(12) 雙元觸媒最佳百分比

14 DMFC 性能分析(13) 陽極多元合金觸媒設計(圖)

15 DMFC 性能分析(14) 多元合金觸媒比較 可加入(Os)成為三元觸媒，或再加入(Ir)成為四元觸媒；其效益由圖可看出三元觸媒與二元觸媒在同樣操作條件下，在0.4V操作電壓，其輸出電流密度是240 mA/cm 2 比 180 mA/cm 2 其效率增加 35%。 同樣情況四元/二元觸媒時，在0.4V操作電壓條件，其輸出電流密度是250/180 mA/cm2。而且他的限制電流是雙元的兩倍。

16 DMFC 性能分析(15) 雙元與四元電流密度比較

17 DMFC 性能分析(16) 操作溫度對DMFC 性能影響

18 DMFC 性能分析(17) 操作條件與進料方式 低溫時(25)，觸媒之電催化活性差，陽極氧化反應速率控制步驟為甲醇的吸附與脫氫過程，當工作溫度升時，水分子的雙反應式成為控制步驟如下 8-6式。 M+H2O →M-(H2)ABS M-(H2O)ABS → M-(OH)ABS+ H+ e-

19 DMFC 性能分析(18) DMFC 不同甲醇進料方式比較

20 DMFC 現況 三星電子(Samsung)指出，已開發出筆記型電腦甲醇燃料電池-DMFC（Direct Methanol Fuel Cell；直接甲醇燃料電池），能連續使用10小時，未來可望應用於三星「SENSQ」系列等筆記型電腦。 三星表示，已開發出以 100cc甲醇，驅動10小時筆記型電腦用甲醇燃料電池-DMFC。這次開發的 DMFC得以實現小型化與低價化，是因結合奈米材料技術的奈米觸媒，以及氫離子傳導膜技術的緣故。

21 DMFC 性能分析(20) 膜電極組之結構  黏結劑對 DMFC 影響:
經實驗Nafion 比PTFE 黏結劑其膜電極組功率 “0.17 W/cm 2 “：”0.155 W/cm2 “e;高10%差別在於 膜電極組 歐姆電阻較小。  觸媒層對膜電極組影響: 同觸媒量下以鉑-釕黑作為陽極觸媒比鉑-釕炭黑的電催化性能好，主因在於厚度差異，有利甲醇分子輸出與電子導出，且觸媒含量高可提高電極對甲醇容忍度並減少甲醇向陰極竄透機率、提高電極性能。

22 DMFC 性能分析(21) 膜電極組影響因子 膜 電 極 性 能 影 響 因 子 觸媒載體 熱壓條件 擴散層結構 觸媒鍍層技術 表面何電
觸媒粒度小 陰極漿塗 增大觸媒反應比表 面減少電組歐姆改 善電極內熱質傳特性 表面何電 催活性大 噴塗、漿塗 膜 電 極 性 能 影 響 因 子 移印 PVD Pt.Ru0.031 mg/cm2與Nafion XRD 與CVD條件相當 聚亞乙二吩 聚苯乙 PVD,IMP 135 ℃ 優於80℃ 多孔性,電子 導電性離子導電性 聚苯乙烯磺酸 SPPUTER 聚咯/聚苯乙烯 PTEF 0.155 W/cm2 厚度小利甲 醇分輸送與 電子導出子 鉑釕炭觸媒 Nafion 0.17 W/cm2 對甲醇容忍度 對抗向陰極竄 流提高電極性能 歐姆電阻小 鉑釕黑觸媒 黏結劑 觸媒層結構

23 DMFC 性能分析(22) 擴散層結構對 DMFC 膜影響 CHART 反應產生氣泡流體增加 26倍氣柱阻礙
陽極 反應產生氣泡流體增加 26倍氣柱阻礙 碳紙表面張力增加破壞電池運行性能， 使用碳布其氣泡較小且不易黏著表面 利於CO2排出再加入適當PTFE 疏水劑 更加強碳布疏水性。 甲醇 觸媒層 水 擴散層 碳紙/碳布

24 DMFC 性能分析(23) 電解質膜特性 DMFC 性能除甲醇電催化氧化機制影响，與使用電解質膜亦相關；其離子導電度、甲醇滲透率，而在甲醇未反應即向陰極滲透使陰極極化問題，美國凱斯西儲大學開發加入酸的聚苯並咪銼(PBI film)，其輸出功率可達 100~ 300mW/cm 2，也可在130~150℃使用因此提供陽極電催化氧化速率，又因高溫 CO 不易附著 PB 表面，解決毒化問題。

25 DMFC 性能分析(24) DMFC 現況 其中奈米觸媒技術的特徵在於，將觸媒粒子縮小到3 奈米，同時將它與「mesoporous carbon」(中孔結構碳) 結合，活化電氣化學反應，藉此將觸媒使用量降低50% 左右，這項技術是得以實現燃料電池小型化與低價化的關鍵技術。在氫離子傳導膜方面，三星自行開發出「 nano-composite （奈米複合材料）概念」的複合膜，藉此抑制 90%以上甲醇穿透現象，這項成果也將具備取代目前氫離子傳導膜的性能。 三星進一步指出，目前這項技術開發進展超前美國及日本，未來可望應用於三星電子「SENS Q」系列等筆記型電腦。 2003/12/25水果報報導 HITICHI 使用微型 DMFC 應用於 PDA上。